聚焦“證據推理”的中學化學史教學課例研究

莫宇鋒 孫可平

摘要：“證據推理”是重要的化學學科核心素養之一。通過化學史課例教學，可以讓學生感受和體驗化學發展過程中化學家如何使用證據進行推理以獲得概念或理論的整個過程，也促進學生更深入地理解化學學科的本質。本研究以“原子一分子論”發展史為探索課例，在理論分析的基礎上構建出有效的課堂教學模式，且在實踐中進行調整和修正。探索結果表明，利用“問題鏈”與學生自主活動相結合、化學史故事線索與科學證據推理過程相結合這樣兩條線索，能夠構建有效發展學生證據意識，理解化學學科本質的課堂教學。

關鍵詞：原子一分子論;化學史;證據推理

文章編號：1008-0546（ 2020）08-0051-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2020.08.015

所謂“證據推理”是基于科學證據的推理過程。它包含了獲取、辨別證據，基于證據構建觀點或主張，利用更多證據驗證這些觀點或主張，并進而得到結論等多個環節或過程。“證據推理”素養是化學核心素養的重要一環，2017年頒布的《普通高中化學課程標準》指出“證據推理素養是培養學生具有證據意識，能基于證據對物質的組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽;建立證據、觀點和結論之間的邏輯關系”[1]。在化學教學中，“證據推理”強調能讓學生體驗如何基于證據進行科學論證的過程。

通常，化學教學中的證據推理設計常常是簡單的、線性的活動，而缺乏辯護、反駁等復雜的推理環節。如何在教學中呈現完整真實的證據推理過程呢？國外學者德伯格（de Berg，K.C.）在其研究中曾指出[2]，體驗化學家如何形成和驗證化學知識對于理解化學本質或發展化學素養至關重要。換句話說，通過化學史的教學，可以讓學生體會到證據推理的全貌，進而發展核心素養。因此，本文試圖以“原子一分子論”為研究對象，探討如何構建有效的化學史課堂教學，以幫助學生發展證據推理意識及其能力。

一、“原子一分子論”教學內容分析

“原子一分子論”是學生中學階段第一次接觸的化學理論，對學生來說很難適應現象化學到理論化學學習的轉變。在學習原子和分子概念時，學生很容易產生疑惑：為什么有些物質由雙原子分子組成，而有些則由單原子直接組成？然而，這些問題無法通過直觀的實驗或數據來解決，學生只能依靠單純的記憶被動接受。“原子一分子論”發展史中，科學家基于證據提出不同的主張，通過不斷地論證得到理論。學生可以通過獲取科學家的證據和觀點，重演歷史故事，體驗推理過程。該過程的學習不僅有助于學生解決微觀領域的問題，還能促進學生認識科學證據與理論的關系，初步理解化學現象的本質。

中學化學教材中涉及“原子一分子論”的內容并不多，缺乏“原子一分子論”發展的連續性。初中教材重點介紹了原子和分子的概念，但只提示性地介紹原子論和分子論的背景。而高中教材雖然介紹原子論的論點及其局限性，并簡單地討論了原子結構的歷史演變，卻未涉及原子論到分子論的發展過程。有調查指出[3]，由于教科書及相關著作對“原子一分子論”的發展史表述不夠明確，化學教師容易忽視或不重視該內容的教育。因此，本節課教學設計之前教師需要梳理“原子一分子論”的故事線索，篩選適合學生科學論證的史實，重建教學主題呈現的順序。

“原子一分子論”的發展充分體現了科學理論“繼承一創新”的辯證發展規律[4]，其中包含真實的證據推理過程。首先，道爾頓基于氣象學研究和定量化學實驗于1808年提出科學原子論，主張所有物質都由原子組成。同年，蓋·呂薩克提出的氣體反應定律本想支持道爾頓的原子論，卻引發“半個原子”的矛盾[5]。1811年，阿伏伽德羅基于蓋·呂薩克的實驗并結合原子論提出分子學說。新學說試圖解決矛盾，但遭到科學界的反駁，尤其與當時貝采里烏斯的電化二元論相悖。直到1860年，坎尼扎羅在第一次國際化學會議上客觀論證了分子學說，最終確立科學的“原子一分子論”。是以，該發展史向我們展示了由科學證據到理論的曲折過程，涵蓋完整的證據推理環節，如圖l所示。

二、聚焦“證據推理”的教學模式設計

“原子一分子論”發展史的介紹，能提供學生一個參與證據推理過程的很好的機會，但發展史本身無法培養學生的推理能力。教師如何讓學生在課堂中體驗完整的證據推理過程呢？在發展史背景下，學生需要主動參與證據推理的過程，像科學家一樣交流合作，共同解決問題、矛盾，從而獲取新知。有研究者指出，教學中的“問題鏈”能指引學生的思維定向移動，充分發揮教師的主導作用和學生的主體作用[6]。因此，教師可以通過設計“問題鏈”來引導學生進行證據推理（見圖2），并通過問題反饋來評價學生的推理過程，從而推動學生思維發展。

從圖2教學模式中可以看出，學生活動根據證據推理過程可分為自主學習、小組交流、反思內化三個環節。自主學習是學生能夠在課堂中交流討論的前提，學生通過自主學習獲取證據、明確科學家的主張，學生小組基于證據圍繞矛盾辯護、反駁主張，進一步結合證據討論、接受新主張，最終反思科學發展的過程。在引導學生進行自主學習時，教師可利用微課和問題單在課前幫助學生了解科學家的主要證據和主張。在課堂教學中，教師引導、協助學生進行證據到主張的推理，為學生提供有效的合作學習環境。課后，根據學生的課堂問題反饋，再布置針對性的反思作業。

在設計“原子一分子論”教學時，進一步分析史料可知，原子論和電化二元論均主張相同原子不能互相結合，而分子論主張單質氣態分子可由兩個相同原子構成，相互矛盾的主張構成一個核心問題即“相同原子能否互相結合”。這也是學生學習“原子一分子論”時的主要疑惑，在學生和當時科學家均未認識“電子”時，學生卻被告知氫氣的化學式為“H2”是理所當然的。基于此，利用微課介紹“半個原子”的矛盾時，給出兩個典型反應方程，即1體積二氧化碳（C02）與碳（C）反應生成2體積一氧化碳（CO）以及1體積氮氣（N）與1體積氧氣（O）化合生成2體積一氧化氮（NO），揭露出矛盾的焦點在于單質氣體的組成，為學生提供支持阿伏伽德羅或反駁貝采里烏斯的證據。根據上述教學模式并針對“原子一分子論”發展史中的核心問題，構建課堂教學，如圖3所示。

三、課堂教學實施

本次教學安排在上海市的一所重點高中，選擇了一個高一教學班。教學班包含39名學生：20名男生和19名女生。這些學生在課前已觀看微課并完成問題單，具備在課堂討論問題的條件。基于學生實際情況和教學內容分析，本節課的教學目標為：

（1）通過觀看化學史微課，能辨別、獲取科學家的證據和主張，說明證據到主張的推理過程。

（2）通過小組討論和解決問題，能對主張進行辯護或反駁，能解釋“相同原子可以結合”的本質原因。

（3）通過對化學本質問題的討論，認識化學知識的曲折發展，加深對化學學科的理解。

本節課圍繞核心問題的討論將課堂教學分為4個環節：“創設問題情境”“引導問題討論”“解決核心問題”和“反思科學本質”，按圖3教學模式展開，引導學生逐步體驗證據推理過程。學生在課前按科學家角色分為5組，學生序號1-5分別代表道爾頓、蓋·呂薩克、阿伏伽德羅、貝采里烏斯、坎尼扎羅。課堂教學實踐如下所述：

【環節1】引入背景，創設問題情境

教師：簡要回顧“原子一分子論”的發展過程及科學家的主張。

教師：（提問）依據蓋·呂薩克的假說和道爾頓的原子論試寫出“2體積一氧化碳與1體積氧氣反應生成2體積-氧化碳”的反應方程式。

生1：2CO+O2→2CO2

教師：（反問）原子論主張氧氣由2個氧原子組成嗎？

生1：但蓋·呂薩克所做的實驗是這樣的。

教師：（追問）他的實驗是怎么說明氧氣由2個氧原子組成呢？有同學補充嗎？

生：沉默。

教師：我們先按照原子論的主張書寫一下方程，實驗能否說明可后續討論。

生：2CO+O→2CO2

設計意圖：簡要回顧微課，讓學生重溫“原子一分子論”發展的背景。通過一個氣體反應方程，明確道爾頓的主張、蓋·呂薩克的實驗和假說，為后續學生推理作鋪墊。

【環節2】聚焦證據，引導問題討論

教師：（提問）上述反應方程這樣寫到底對不對呢？

生：不對，反應前后的氧原子數不相同，違背了質量守恒定律。

教師：（追問）既然不對，依據質量守恒定律如何修正呢？剛已有同學給出了一個答案，還有其它可能嗎？

生4：氧原子前面的系數可以是2。

教師：（投影）2CO+O2→2CO2;2CO+2O→2CO2。

教師：（引導反駁）如果系數是2就不符合蓋·呂薩克的假說了，你有什么證據反駁他的假說嗎？ 生4：微課里有提到，若假設成立，則l體積氮氣和l體積氧氣反應生成2體積一氧化氮會存在半個氮原子和半個氧原子（N+O→2NO），而原子不可分割。

教師：（追問）這里又回到道爾頓的原子論，主張相同原子不能夠結合，這是否有證據支持呢？

生4：貝采里烏斯的電化二元論解釋了相同原子帶同種電性，而同性相斥，所以相同原子不能夠結合。

教師：（引導辯護）不過，從2個方程中可以看到，雖然CO和CO2是不同的“原子”，但它們的體積和數目都是2，是支持假說的。那有沒有更多的證據來支持蓋·呂薩克的假說呢？

生2：1體積二氧化碳與碳化合生成2體積一氧化碳的反應中的體積和“原子”數目也是相等的。

設計意圖：通過討論原子論與氣體反應實驗的矛盾，引導學生基于各科學家的證據辯護、反駁主張，培養學生的證據意識，為下一步討論核心問題做準備。

【環節3】明確矛盾，解決核心問題

教師：從列舉的方程可以看到在沒有單質氣體參與反應時，假說是完全成立的。而一旦涉及氧氣、氮氣時就會出現矛盾，所以矛盾的關鍵點在于……

生：（指出矛盾）是否有單質氣體參與、單質氣體的組成。

教師：（引導解釋）要能夠解釋蓋·呂薩克的實驗，阿伏伽德羅于是假設單質氣體都是由兩個相同的原子構成的，并把多原子稱為“分子”。請同學們嘗試用分子的概念修正蓋·呂薩克的假說。

生3：同溫同壓下，相同體積的不同氣體含有相同數目的分子數。

教師：（引導討論）很好，后來我們把這叫做阿伏伽德羅定律。但阿伏伽德羅建立的分子論未被科學家接受，不過也沒有其他理論可以解釋氣體實驗事實，請同學們討論下一步如何才能解決這個矛盾呢？

生4：進一步探究兩個相同原子是否可以結合在一起，原子結合的機理。

生5：進一步檢驗電化二元論的正確性，它的假設可能是錯誤的。

教師：（補充擴展）隨著科學家的不斷發現，電化二元論由于不能解釋越來越多的科學實驗成果而被拋棄。在19世紀末，湯姆森發現電子，從而打破了原子不可分割的觀點。科學家逐步揭開原子如何結合成分子的奧秘，也是我們之后化學鍵要學習的內容。

設計意圖：在明確矛盾的基礎上，利用分子論重新解釋氣體實驗，促使學生反思證據和主張的合理性，再通過小組討論找出矛盾的原因共同解決核心問題，培養學生的批判性思維。

【環節4】討論總結，反思科學本質

教師：本節課我們通過討論共同解決了“原子一分子論”發展史中的問題，然而歷史上的討論長達半個多世紀，請同學們說說為什么分子論長期不被接受呢？

生5：道爾頓和貝采里烏斯代表了當時的科學權威。

生1：分子論自身缺乏充分實驗證據來證實。

教師：（反饋展望）非常好，而且并不是所有的單質氣體都是雙原子分子。不過，我們現在所說的分子論，也有可能無法解釋未來新的實驗證據，從而被新理論替代，需要同學們在前人基礎上繼續探索。

設計意圖：學生討論科學本質問題，促進學生反思科學的發展規律，理解化學學科的本質。

四、教學反思

本節課圍繞“原子一分子論”發展史中的問題展開討論，有意識地聯系化學史故事線索，通過“問題鏈”引導學生基于證據進行推理，促進學生在解決問題的過程中體驗化學發展，培養學生的科學思維。通過分析學生課堂表現和課后反饋，反思課堂教學的有效性，具體如下：

（1）在課堂教學環節1中，生1最初書寫方程式沒有運用原子論的主張，反映學生對分子的概念已根深蒂固。在環節2中，生4在問題引導下能充分利用歷史證據反駁主張，生2能利用微課中的例子辯護主張，但在參與度上只有個別學生能給予反饋，說明只有少部分學生的思路得到引導。在環節3、4中，學生通過問題的討論能說出科學理論的局限性和實驗證據的重要性，說明學生能初步理解科學知識的發展和客觀性。

（2）在課后反饋中，問到“你會從哪些方面分析科學家主張的合理性”，有87.2%的學生提及通過實驗驗證，有51.3%的學生還能提及已有理論、論證方式、邏輯等方面，有10.3%的學生用“科學性”概括，說明學生能初步理解科學論證過程但對主張與理論的區別比較模糊。問到“你如何認識‘原子一分子論的發展史”，有64.1%的學生描述了科學家在發展史中的作用，說明學生初步形成科學的發展觀。問到“你覺得化學史課堂是否有必要”，有94.9%的學生選擇有必要并表示能從中體驗科學家建立理論的過程，可以更有效地學習知識也滿足好奇心，說明學生認識到化學史并不是靜態的史料而是知識動態發展的過程。

綜上分析，本節課創設的化學史情境和“問題鏈”能較好地調動學生自主獲取證據，激發學生像科學家一樣辯護、反駁主張，初步發展學生的證據推理能力，這在一定程度上表明了課堂教學模式的有效性。但還有幾個可以改進的地方：（1）為讓學生先擺脫“分子”概念，教學開始時可以利用原子實物模型表示氣體，或將尚未學習“分子”概念的初中學生作為研究對象。（2）為促進學生更多地參與討論，在引導學生解決問題時可播放相應的微課片段，協調學生課前的自主學習。（3）從課后反饋來看，學生在理解化學本質方面參差不齊，教師進行小組分配時需注意個體差異性。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[2] BergK C D.The Place of the History of Chemistry in theTeaching and Learning of Chemistry[M]∥InternationalHandbook of Research in History， Philosophy and ScienceTeaching.Springer Netherlands， 2014： 317-341

[3]袁振東，杜衛民，王曉瑾.原子一分子論發展史教育中值得注意的問題[J].化學教學，2014（2）：75-77

[4]張玉春.“原子一分子論”的創立及其對我們的啟迪[J]化學教育，2009（12）：81-84

[5] 張德生，化學史簡明教程[M].合肥：中國科學技術大學，2009：69-71

[6]王后雄.“問題鏈”的類型及教學功能——以化學教學為 例[J].教育科學研究，2010（5）：50-54